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电子系统级信号和电源完整性

发布日期
作者Cadence PCB解决方案

数字数据系统级信号和电源的完整性

系统级信号和电源完整性有助于防止读取位时出错

如果我们可以放心，当我们将电源/电源调节器设置为5v时，我们所有的电路总是接收5v，那就太好了。然而，这并不是真正的设备所发生的事情。如果您使用的TTL/CMOS器件运行在更高的电压和高噪声裕度下，您可能不会注意到功率完整性和信号完整性之间的任何联系。虽然这可能在基础电子实验室中很常见，但PCB上的实际设备可以揭示系统级信号和电源完整性之间的联系。

随着许多高门数/引脚数设备在较低的电源电压下运行(对于专用高速设备，可降至1.8、1.2或1.0 V)，这些系统中的噪声边界也较低。类似地，这些设备中的高栅极计数导致它们在运行过程中吸收更多电流时消耗更多的功率。由于开关导致的电源完整性问题，在速度较慢且噪声裕度较高的系统中不会被注意到，现在可能导致系统完全故障。这是由于电力完整性问题所产生的信号完整性问题之间的密切联系。让我们在系统级别上看看这个链接，看看可以做些什么来确保信号保持完整。

连接系统级信号和电源完整性

电源和信号完整性在整个PCB中以一些重要的方式联系在一起，所有这些都可以通过查看PCB布局中的典型PDN来理解。当PDN被驱动时稳压器或VRM，当电流被拉入PDN时，驱动组件会导致PDN上的电压纹波。

当此瞬态响应在PDN上传播时，会导致驱动IC中的源漏电压和/或门源电压波动，从而干扰等效RC时间常数和输出信号电平。这种瞬态响应会导致以下信号完整性问题:

  • 抖动:电源完整性问题会在驱动IC的输出信号中产生抖动(在数字信号中)或相位噪声(在模拟信号中)，这会影响驱动开关的时间和开关所需的时间。典型抖动值为100 ps/mV。由PDN上的纹波引起的数字信号中的RMS抖动可以用下式计算。

系统级信号和电源完整性和均方根抖动

由PDN上RMS电压纹波引起的RMS抖动值。

  • 噪音:电源完整性问题将噪声叠加在驱动IC的输出上。当驱动向下游组件发送信号时，信号中的显著噪声或下垂可能无法直接驱动下游组件，要么是因为信号电平处于未定义区域，要么是因为它在HIGH和未定义之间波动。使用边缘触发的接收器组件，信号前沿的任何波动都可能不会正确触发下游门。

这两个问题都伴随着信号失真沿互连。您的PCB基板和迹线几何导致信号失真，这是伴随着由于寄生引起的信号失真在芯片封装和连接器。这严重的带宽限制信号收集门在接收机和导致系统的眼图关闭(见下文)。

具有噪声和抖动的系统级信号和电源完整性

当信号在驱动器和接收器之间传递时，振幅噪声和抖动

当一个元件切换并从稳压器引入大的暂态电流到PDN时，PDN上的所有其他元件都能看到由此产生的电压纹波。这可能是由于串扰(在星型配置中)或直接由于共享PDN连接(总线或多点拓扑)而引起的。这可能会导致信号完整性问题的传播整个系统，而不仅仅是在一个单一的开关组件。

请注意，我们目前讨论的是ic，但同样的电源问题会产生信号电平的波动和系统时钟的抖动。高稳定的参考时钟更能抵抗功率波动。时钟输出中的任何抖动都会干扰它用来控制的门的操作，特别是边缘触发组件。这应该说明需要控制整个板的倾斜。在涉及超精确时间-数字测量的系统中(激光雷达是一个完美的例子)，您需要使用ADC/时间-数字转换器锁定相关的时钟频率使用锁相环．

布局的选择

我们已经在本博客的其他地方讨论过这些布局选择，但这里我们将尝试从一般意义上综合这些要点。由于信号完整性、电源完整性和EMI之间的联系在PCB中是不可避免的，因此确保电路板的电源完整性需要正确的设计分层盘旋飞行设计．这可以说是设计电路板电源完整性时要考虑的最重要的一点，特别是在低电平高引脚数的设备中。

目标是将PDN阻抗降低到尽可能低的水平。如果您使用1.2 V或1v电源的组件，您的公差可以下降到2%左右，要求亚毫欧姆PDN阻抗在相关带宽范围内。这也需要在PDN中进行显著的解耦。这就是为什么电源和地平面应该在堆叠中相邻，因为这将在与大型去耦电容器一起使用时提供足够的去耦。

PCB堆叠系统级信号和电源完整性

确保将电源和接地平面放置在相邻的层上，以提供足够的去耦。

你的监管机构怎么办?

PCB布局中系统级信号和电源完整性的一个重要方面在于调节器的选择，特别是开关调节器。当一个开关式稳压器开关和源的大电流，它产生的EMI可以导致下游数字元件的意外开关，并可以从模拟元件的输出产生不希望的频率。这要求开关调节器和电路板中的组件之间有足够的隔离。为了防止强烈的开关噪声干扰组件，可能还需要额外的过滤。

在低电平运行的系统中，低噪声、低差稳压器是理想的，尽管您应该测量这些稳压器的输出。您应该确保它们不会产生过多的传导/辐射EMI作为开关噪声，并且它们不会在PDN上产生过大的波纹。这可以用测试券或评估板来完成，你的测量可以用示波器和近场探头来收集。

在PCB中，系统级信号和电源完整性之间的联系可能不明显，但在使用信号/电源完整性时，可以分析系统并进行设计正确的PCB设计和分析软件．Allegro PCB Designer凯蒂丝也吃饱了分析工具套件可以帮助您为新产品构建稳定的电路板，并在整个数字系统中检查信号和电源完整性。

如果您想了解更多Cadence如何为您提供解决方案，跟我们和我们的专家团队谈谈吧．